一、“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)的基本概念“光儲(chǔ)直柔”這一概念最早是由江億院士提出，“光”即建筑光伏，“儲(chǔ)”是建筑內(nèi)儲(chǔ)能及利用鄰近停車場(chǎng)電動(dòng)汽車的電池資源，“直”指建筑內(nèi)部采用直流供電，“柔”則是“光儲(chǔ)直柔”的目的，即實(shí)現(xiàn)柔性用電，使其成為電網(wǎng)的柔性負(fù)載或虛擬靈活電源；“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)的最終目標(biāo)是使建筑用電系統(tǒng)由目前的剛性負(fù)載變?yōu)槿嵝载?fù)載，可以根據(jù)電力系統(tǒng)的供需關(guān)系隨時(shí)調(diào)整用電功率，而不決定于當(dāng)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)各用電設(shè)備的用電功率。

典型的“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)接線如圖１所示，接線圖展示了外部交流電源、光伏、儲(chǔ)能、充電樁及用電設(shè)備通過(guò)直流配電網(wǎng)組成有機(jī)物理整體的邏輯拓?fù)潢P(guān)系。圖1典型“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)接線圖

二、“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖２所示，設(shè)計(jì)主要分為以下四部分內(nèi)容。圖2

典型“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)接線圖(１)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先是結(jié)合建筑外形效果要求確定建筑光伏發(fā)電板的形式，確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量。然后做光伏發(fā)電量消納分析，確定光伏系統(tǒng)接入方案。(２)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。儲(chǔ)能系統(tǒng)包括分布式儲(chǔ)能裝置和通過(guò)充電樁接入的電動(dòng)汽車。(３)低壓直流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)用電負(fù)荷特性分析，確定用電設(shè)備的接入方式，根據(jù)接入系統(tǒng)的光伏、儲(chǔ)能和用電設(shè)備綜合確定系統(tǒng)內(nèi)部電壓等級(jí)及系統(tǒng)接線形式。設(shè)計(jì)原則是盡量減少變換次數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效、經(jīng)濟(jì)型、可靠和安全運(yùn)行。(４)“光儲(chǔ)直柔”建筑系統(tǒng)柔性控制平臺(tái)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:預(yù)測(cè)光伏發(fā)電量，預(yù)測(cè)建筑負(fù)荷用電量，制定儲(chǔ)能及充電樁(電動(dòng)汽車)充放電策略，確保直流微網(wǎng)內(nèi)部電壓穩(wěn)定并給出系統(tǒng)負(fù)荷柔性調(diào)節(jié)裕度，接受電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)。下文結(jié)合案例說(shuō)明“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方法。三、“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)結(jié)合案例說(shuō)明“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，案例是一棟辦公樓，位于廣東惠州市，建筑總面積5000m2，共５層，每層面積約1000m2，建筑坐北朝南，面寬50ｍ，進(jìn)深20ｍ，建筑高度20ｍ。一至五層均是辦公室。采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，室外機(jī)在屋頂安裝，占地面積約100m2，立面為幕墻結(jié)構(gòu)。3.1

光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1光伏組件的確定光伏技術(shù)不斷更新發(fā)展，光伏電池材料的種類也越來(lái)越多，大致可按其材料結(jié)構(gòu)分為以下三類：(１)硅基光伏電池，如單晶硅、多晶硅光伏電池等。(２)薄膜光伏電池，如砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵硒薄膜光伏電池等。(３)具有理論高轉(zhuǎn)化效率和低成本優(yōu)勢(shì)的新概念電池，主要有新型光伏電池，如染料敏化光伏電池、鈣鈦礦光伏電池、有機(jī)太陽(yáng)電池以及量子點(diǎn)太陽(yáng)電池等。不同類型光伏電池的性能如表1所示。目前，單晶硅以及多晶硅電池因具較高性價(jià)比仍然占據(jù)市場(chǎng)主體地位，在屋頂、室外雨棚等場(chǎng)所一般考慮采用這種材料；薄膜光伏電池可以與光伏幕墻結(jié)合，在立面展示效果好，在建筑光伏一體化設(shè)計(jì)中，常采用不同材料的薄膜電池配合達(dá)到更好的立面效果；新型光伏電池由于有較高的理論轉(zhuǎn)化效率和較低的制備成本在建筑光伏市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿σ埠艽?。需要注意，薄膜電池在立面安裝中，需要配合建筑立面效果和透光率要求來(lái)確定實(shí)際薄膜電池的轉(zhuǎn)換率，透光率越高，其單位面積轉(zhuǎn)化效率越低。在本案例中，結(jié)合建筑效果，可考慮在屋頂采用單晶硅光伏組件，在南立面安裝碲化鎘薄膜電池光伏玻璃。3.1.2光伏發(fā)電組件安裝規(guī)模的確定2022年4月1日實(shí)施的《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB55015-2021中要求新建建筑應(yīng)設(shè)太陽(yáng)能系統(tǒng),但除國(guó)務(wù)院發(fā)布的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》外，尚無(wú)其他政府文件或國(guó)家地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)的形式和安裝規(guī)模做明確要求。在地方政策文件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未明確之前，本案例考慮在屋頂和南面室外停車雨棚安裝單晶硅光伏發(fā)電組件，光伏組件采用支架固定安裝方式。同時(shí)，考慮光伏發(fā)電與建筑一體化應(yīng)用，在南立面設(shè)置光伏玻璃。根據(jù)《太陽(yáng)能資源等級(jí)總輻射》GB/T31155-2014，案例所在地太陽(yáng)能資源等級(jí)屬“豐富”；代表年太陽(yáng)總輻射量為1389.9kWh/

m2

。光伏陣列的安裝傾角對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率影響較大，對(duì)于固定式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，傾角宜使光伏方陣傾斜面上受到的全年輻射量最大。電池組件傾斜面上的總輻射量為傾斜面上的直接輻射量、散射輻射量以及地面反射輻射量之和。根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50797-2012，利用PVsyst軟件得表2所示輻射量損失對(duì)比表，可得最佳傾角為21°，因屋面建筑面積有限，若按最佳傾角考慮，占地面積較大，為節(jié)省用地面積、增加安裝容量，另外考慮本案例建筑處于沿海邊緣且建筑高度較高，為了保證項(xiàng)目的安全及項(xiàng)目容量，經(jīng)過(guò)分析本案例屋頂采取5°組件傾角進(jìn)行安裝，南面室外停車區(qū)雨棚采用21°組件傾角進(jìn)行安裝。幕墻部分依托于建筑墻面，作為幕墻玻璃鑲嵌于墻體，整體按90°傾角考慮。項(xiàng)目用于發(fā)電的幕墻為正南朝向，使用PVsyst進(jìn)行分析計(jì)算，以場(chǎng)址推算光資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按方位角正南考慮時(shí)，本工程幕墻輻射量為841.5kWh/

m2,對(duì)比水平面輻射量損失嚴(yán)重。案例選用的是雙面單晶硅光伏組件和碲化鎘光伏玻璃，其規(guī)格參數(shù)詳表３~４，其排布圖如圖３~５所示，單晶硅光伏組件和碲化鎘光伏玻璃的組串?dāng)?shù)量分別為20塊和16塊，共安裝單晶硅光伏組件441塊，裝機(jī)容量為238kWp，安裝碲化鎘光伏玻璃光伏組件1353塊，裝機(jī)容量為142kWp，項(xiàng)目光伏發(fā)電總裝機(jī)容量為380kWp。圖3

室外光伏發(fā)電雨棚及首層配電干線平面圖圖4

屋頂光伏發(fā)電及配電干線平面圖圖5

南立面光伏玻璃排布圖3.1.3光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量分析

光伏發(fā)電負(fù)荷曲線如圖6所示，按照類似正態(tài)分布曲線考慮，在中午12時(shí)達(dá)到高峰。圖6

日光伏發(fā)電分時(shí)曲線示意圖本案例光伏發(fā)電量估算如表5所示。3.1.4光伏發(fā)電系統(tǒng)的形式選擇“光儲(chǔ)直柔”建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)一般采用并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，為避免光伏發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定性難以確保的情況，推薦采用“自發(fā)自用、余電并網(wǎng)”的自消納并網(wǎng)模式，盡量減少新能源發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，太陽(yáng)能電池所發(fā)電量?jī)?yōu)先給內(nèi)部負(fù)載，負(fù)載用不完的多余電量送入電網(wǎng)，當(dāng)光伏發(fā)電電量不足以供給負(fù)載時(shí)，由電網(wǎng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)給負(fù)載供電，所以在確定光伏接入點(diǎn)的時(shí)候，需要根據(jù)建筑配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)用電負(fù)荷特點(diǎn)和光伏發(fā)電進(jìn)行自消納分析。本案例也是采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的自消納并網(wǎng)模式。3.2儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1儲(chǔ)能電池的種類選擇在查閱主流儲(chǔ)能廠家提供的技術(shù)參數(shù)基礎(chǔ)上，總結(jié)各類儲(chǔ)能電池性能對(duì)比情況(表６)，根據(jù)不同儲(chǔ)能應(yīng)用需求，儲(chǔ)能電池可分為功率型電池和能量型電池。功率型電池是以小于或等于1小時(shí)率(1P)額定功率工作的電池，適用于短時(shí)快充快放(如實(shí)現(xiàn)需求側(cè)快速響應(yīng)的場(chǎng)合)，主要以鈦酸鋰電池(LTO)為代表。能量型電池是以大于1小時(shí)率(1P)額定功率工作的電池，主要以磷酸鐵鋰電池(LFP)為代表，磷酸鐵鋰原材料儲(chǔ)量豐富，因此成本較低，同時(shí)也具有良好的安全和循環(huán)性能，廣泛應(yīng)用于能量型儲(chǔ)能。“光儲(chǔ)直柔”建筑在沒(méi)有實(shí)現(xiàn)需求側(cè)快速響應(yīng)的要求時(shí)，一般可選用能量型電池。3.2.2儲(chǔ)能容量的選擇儲(chǔ)能容量選擇首先是用于維持“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面是提高“光儲(chǔ)直柔”建筑的經(jīng)濟(jì)性，如結(jié)合電價(jià)政策，通過(guò)電能時(shí)間“平移”實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”或參與電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)來(lái)降低用能成本；也可兼作重要負(fù)荷的備用電源?！肮鈨?chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)一般都是引接市電，現(xiàn)階段電能仍以火電為主，電網(wǎng)穩(wěn)定性較高，在不單獨(dú)配置儲(chǔ)能的情況下，“光儲(chǔ)直柔”建筑直流微網(wǎng)內(nèi)部穩(wěn)定性可通過(guò)電網(wǎng)市電來(lái)維持。但“雙碳”戰(zhàn)略下，我國(guó)電力系統(tǒng)也在朝著高比例新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展，隨著新能源的安裝入網(wǎng)，電力系統(tǒng)也會(huì)呈現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)隨機(jī)性大、慣性差的特性，需要設(shè)置儲(chǔ)能裝置來(lái)匹配。根據(jù)國(guó)務(wù)院發(fā)布的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》“到2025年，新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)到3000萬(wàn)千瓦以上”，這部分儲(chǔ)能，除了在電網(wǎng)側(cè)集中安裝，也可能會(huì)根據(jù)各地政策要求逐步在用戶側(cè)安裝。所以新建建筑配電系統(tǒng)需要考慮預(yù)留儲(chǔ)能的接口和儲(chǔ)能的安裝空間。3.2.3儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝方式由于儲(chǔ)能消防安全仍是需要關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)，一般儲(chǔ)能都考慮在室外安裝，如采用圖7所示的集裝箱安裝方式。圖7

集裝箱式儲(chǔ)能裝置示意3.2.4充電樁設(shè)置在新能源主要體現(xiàn)為電能前提下，電動(dòng)汽車將是汽車行業(yè)低碳化的重要方式。汽車充電樁也是一種靈活的儲(chǔ)能裝置，所以汽車充電樁的未來(lái)發(fā)展方向會(huì)是雙向的，即：用電低谷期往汽車動(dòng)力電池里充電，在用電高峰期利用汽車儲(chǔ)能電池反向向電網(wǎng)供電，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的輔助調(diào)峰調(diào)頻。為了實(shí)現(xiàn)充電樁對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)調(diào)節(jié)性，充電樁須配置智能控制系統(tǒng)。當(dāng)前各地均已出臺(tái)充電樁建設(shè)要求，項(xiàng)目開(kāi)始前需了解當(dāng)?shù)卣?，確定快慢充比例。本案例儲(chǔ)能擬按光伏裝機(jī)容量的30%安裝，擬在室外配置120kWh磷酸鐵鋰電池，在室外采用集裝箱安裝方式，在室外設(shè)置5個(gè)30kW非車載充電機(jī)。3.3低壓直流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1用電負(fù)荷分析本案例主要負(fù)荷類型為多聯(lián)機(jī)空調(diào)、照明、插座、充電樁、電梯、智能化用電、應(yīng)急照明用電等，全部為三級(jí)負(fù)荷。用電設(shè)備總裝機(jī)容量為710kW，參照文獻(xiàn)《大型辦公建筑運(yùn)行能耗特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析》的辦公能耗數(shù)據(jù)，案例年用電量和典型工況用電量預(yù)估值詳見(jiàn)表7。3.3.2自消納分析對(duì)比表5和表7可以看出，案例年發(fā)電量估算為358200kWh，案例年用電量估算為387366kWh，從年時(shí)間尺度和日時(shí)間尺度看，案例能夠內(nèi)部消納完案例的光伏組件發(fā)電量，所以本案例所有用電設(shè)備整體納入光儲(chǔ)直柔配電系統(tǒng)供電范圍。但是，從分時(shí)典型工況可以看出，案例發(fā)電量和用電量存在不匹配情況。如工作日中午12時(shí)為發(fā)電高峰期，此時(shí)案例用電設(shè)備無(wú)法消納完所發(fā)電量，需要在充電樁和儲(chǔ)能中存儲(chǔ)用不完的所發(fā)電量，而15時(shí)是用電高峰期，此時(shí)所發(fā)電量不能滿足案例用電需求，考慮到這個(gè)時(shí)刻一般屬于市電尖峰電價(jià)時(shí)刻，優(yōu)先使用儲(chǔ)能裝置和雙向充電樁電動(dòng)汽車儲(chǔ)存電量；若儲(chǔ)能和充電樁不能平衡發(fā)用電情況，經(jīng)過(guò)內(nèi)部負(fù)荷調(diào)節(jié)后案例可以通過(guò)與電網(wǎng)互動(dòng)取得不足或多余電量；案例的儲(chǔ)能容量和充電樁容量配置，基本可以實(shí)現(xiàn)在用電高峰期(12∶00－15∶00)不需要電網(wǎng)供能，但休息日用電量小，案例的儲(chǔ)能容量和充電樁容量配置無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量的全部存儲(chǔ)，使得有較多的發(fā)電余量需要反送電網(wǎng)。因此，雖然看起來(lái)項(xiàng)目的年發(fā)用電量差值只有29166kWh，差異不大，但由于發(fā)電和用電高峰期不一致，所以案例“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)與電網(wǎng)的電能雙向流動(dòng)還是很大的，實(shí)際與電網(wǎng)交互的電量遠(yuǎn)不止29166kWh，尤其是休息日光伏發(fā)電系統(tǒng)大量反送余電至電網(wǎng)，將會(huì)給電網(wǎng)的電力調(diào)度和電能消納帶來(lái)較大的壓力。3.3.3自消納分析結(jié)合光伏組件安裝和儲(chǔ)能安裝情況，案例接線圖設(shè)計(jì)如圖8所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能、市電、屋頂多聯(lián)機(jī)、辦公干線均采用直流750V供電電壓，電梯、智能化用電、公共照明、應(yīng)急照明、開(kāi)水器、打印機(jī)和樓層辦公用電水平干線等采用直流375V供電電壓，末端辦公用房采用48V特低安全電壓供電。系統(tǒng)采用兩線制系統(tǒng)，考慮目前變換器短路故障耐受度差，系統(tǒng)采用可變接地形式的方式，系統(tǒng)正常工作時(shí)采用IT系統(tǒng)配合絕緣監(jiān)測(cè)的方式，在系統(tǒng)一點(diǎn)接地后，轉(zhuǎn)化為負(fù)極接地的TN系統(tǒng)后采用直流剩余電流保護(hù)裝置通過(guò)斷路器來(lái)自動(dòng)切斷電源。圖8

案例建筑電氣系統(tǒng)接線圖案例中，接入直流750V配電系統(tǒng)的設(shè)備均通過(guò)隔離型變換器接入，變換器采用模塊化設(shè)計(jì)。直流750V配電系統(tǒng)斷路器采用額定電壓為1000V的直流斷路器，直流375V配電系統(tǒng)斷路器額定電壓為250V的直流斷路器，斷路器極數(shù)均為4極，接線方式采用圖9所示的四極兩兩串聯(lián)方式接線，脫扣器采用熱磁式或?qū)Ｓ弥绷麟娮邮矫摽燮?。圖9

直流斷路器接線圖末端辦公室設(shè)置末端控制保護(hù)單元，內(nèi)部設(shè)置直流48V安全特低電壓配電系統(tǒng)，除開(kāi)水器及打印機(jī)外其余辦公室用電均列入安全特低電壓供電范圍，提高末端人員用電安全性。開(kāi)水器及打印機(jī)等無(wú)法接入到直流48V系統(tǒng)的較大功率設(shè)備直接接入直流375V系統(tǒng)的插座回路，這些插座回路均設(shè)置額定剩余動(dòng)作電流不超過(guò)80mA的直流專用型剩余電流動(dòng)作保護(hù)器。案例中計(jì)量?jī)x表均采用直流專用型。３.４“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)柔性控制平臺(tái)設(shè)計(jì)３.４.１系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能系統(tǒng)平臺(tái)框架如圖10所示。圖10

“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)柔性控制平臺(tái)系統(tǒng)框架圖(１)系統(tǒng)基于云邊端架構(gòu)，采用物聯(lián)網(wǎng)、云邊端協(xié)同、大數(shù)據(jù)、AI智能分析技術(shù)，可接受絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電氣火災(zāi)系統(tǒng)等信號(hào)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)讀取、電能調(diào)配及運(yùn)行管理；(２)支持變換器等“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”設(shè)備對(duì)接，實(shí)現(xiàn)能源設(shè)備的即插即用；(３)系統(tǒng)支持與光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、充電樁、智慧配電、多聯(lián)機(jī)等子系統(tǒng)對(duì)接；(４)支持對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評(píng)估和健康管理、系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷、應(yīng)急響應(yīng)、業(yè)務(wù)管理、資產(chǎn)管理等。通過(guò)提供智慧園區(qū)系統(tǒng)和電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)接口，系統(tǒng)可以與智慧園區(qū)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)園區(qū)各類終端統(tǒng)一運(yùn)維和運(yùn)營(yíng)管理。３.４.２“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣系統(tǒng)運(yùn)行模式(１)并網(wǎng)運(yùn)行模式并網(wǎng)時(shí)，電能路由器AC/DC端口與交流電網(wǎng)連接DC/AC采用PQ恒功率控制方式運(yùn)行，儲(chǔ)能端口穩(wěn)定直流母線電壓，供電優(yōu)先順序?yàn)楣夥鷥?chǔ)能→市電。當(dāng)負(fù)載實(shí)際總功率大于光伏和儲(chǔ)能實(shí)際輸出總功率時(shí)，必須從市電取電確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；若不再?gòu)氖须娙‰姡瑒t需要關(guān)停部分負(fù)載?使光伏和儲(chǔ)能輸出總功率大